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7.3 锌空气电池
7.3.3 基本特性
（1）充电特性 锌空气电池的充电模式，打破了普通蓄电池的常规充电 模式，采用机械式更换电池的锌板或锌粒的"充电"模式，整 体更换锌空气电池的活性物质，将整个锌空气电池进行更换 ，电池不再需要花很长的时间来充电，更换一块20kWh的电 池块只需要1分40秒。只要在公路沿线设置锌板或锌粒匣以及 电解质器匣的机械式整体更换站，其效果如同现在内燃机汽 车的加油站，直接"充电"，可以为用户提供很大的方便。
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7.2 空气电极
7.2.3 空气电极催化剂
金属空气电池的发展主要来自于氧电极催化剂的不断 更新，为降低正极反应过程中的电化学极化，人们对氧化 还原反应的电催化剂进行了广泛的研究。最早用于氧化还 原电催化剂的是炭，但是其催化活性相当低。目前研究的 氧电极催化剂主要有：铂及其合金、银、金属螯合物、金 属氧化物（如锰氧化物、钙钛矿型氧化物等）等几个系列。
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7.3 锌空气电池
7.3.1 工作原理
锌空气电池的阴极活性物质来源于空气中的 氧气，负极采用廉价的锌。在碱性电解液中， 反应如下： 阴极： ½ O2+H2O+2e-→2OH阳极：Zn→Zn2++2eZn2++2OH-→Zn(OH)2 Zn(OH)2→ZnO+H2O 总反应：Zn+ ½ O2→ZnO 电动势：
0 E EO
2
/ OH
0 E ZnO / Zn
RT 1/ 2 ln PO 2 nF
常温常压下，空气中氧分压约为大气压的 20%，锌空气电池的电动势为1.636V，实测 开路电压在1.40～1.45V，工作电压0.9～1.3V。
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在金属/空气电池中，锌最受人们关注。这是因为在水 溶液和碱性电解质中比较稳定且在添加适当的抑制剂后不 发生显著腐蚀的金属中，以锌的电位最高。
锌/空气电池是以金属锌作负极活性物质，以空气中的 氧或纯氧作正极活性物质，电解质为碱性或中性的一种电 池。它具有自放电率很低、能量密度高、电池的容量不受 放电强度和温度的影响、安全性高、原料成本低廉、环保 等优势。 锌在商品化的锌/空气原电池中已经应用多年。最初，这 些产品是使用碱作为电解质的大型电池，应用于铁路信号灯、 远距离通信和需要长时问、低倍率放电的海上导航装置。随 着薄层电极技术的开发，应用于助听器、寻呼机和类似用途 的小型(扣式)、高容量原电池都采用了此项技术。
反应式中，M是金属，n是金属氧化过程中的价态变化值， 大多数金属在电解质溶液中是不稳定的，会发生腐蚀或 氧化生成H2。
n M nH 2O M (OH )n H 2 2
这种伴生腐蚀反应或者自放电降低了负极的库仑效率， 所以必须得到控制，以减小电池的容量损失。
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金属/空气电池由具有反应活性的负极和空气电极经电 化学反应偶合而成，它的正极反应物用之不尽。在某些情 况下，金属/空气电池具有很高的质量比能量和体积比能量。 这一体系的极限容量取决于负极的安时容量和反应产物的 贮存与处理技术。 已经研究和开发过的金属/空气电池有原电池、贮备 电池、可充电电池和机械再充式电池等。在机械充电电池 设计(即更换放完电的金属负极)中，电池在本质上相当于 原电池，它的空气电极为相对简单的“单功能”电极，只 需要在放电模式下工作。常规可充电金属/空气电池需要一 个第三电极(用来维持充电时放出氧气)或者一个“双功能” 电极(一个既可以还原氧又可以析氧的电极) 。
金属空气电池的理论能量密度只取决于负极即燃料电极， 这是电池中传递的唯一活性物质，氧气则在放电过程中从空 气中引入。金属电极上的放电反应取决于所使用的金属、电 解质和其他因素，放电反应的一般通式为
M M n ne
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金属空气电池工作原理
电池放电总反应为
4M nO2 2nH2O 4M (OH )n
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7.2 空气电极
7.2.3 空气电极催化剂
对空气电极催化剂材料的一般要求是: a 对氧的还原/析出具有良好的催化活性； b 对过氧化氢的分解具有促进作用； c 耐电解质和氧化/还原气氛的腐蚀； d 电导率和比表面积大 就不同材料而言，比表面积大并不意味着催化活性高， 但对同种材料而言，比表面积越大，活性中心多，活性 大。
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7.2 空气电极
7.2.1 电极组成及成分的影响
（3）黏合剂的影响 电极黏合剂要具有良好的黏性，使制备的电极具有一 定的机械强度；同时，还要有憎水性，可以构建气体网络通 道，形成三相反应界面；具有良好的导电性，以降低欧姆极 化。常用的黏合剂是PTFE（聚四氟乙烯），它是一种非极 性黏合剂，而碱性很好，但黏度很低。300℃左右热压时 PTFE形成三维网络，使活性物质不至于脱落。
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金属空气电池工作原理
以活泼固体金属如铝、锌、铁、镁等为燃料源，以碱性 溶液或中性盐溶液为电解液，电池中阳极为活泼金属消耗 电极，阴极为空气扩散电极，电解质为中性盐溶液或碱性 溶液，阴极反应为氧气还原的电极反应。
O2 2H 2O 4e 4OH ( E0 0.401 V)
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7.2 空气电极
空气电极反应是在气、固、液三 相界面上进行的。因为氧在水溶液中 的溶解速度和扩散速度都很小，采用 两相电极时电流密度小，因此大多使 用三相电极。三相电极的结构由活化 层（亲水的催化层）、疏水层（疏水 的气体供应层或防水透气层）、导电 网（镍网或镀镍铜网）构成，电极内 部能否形成尽可能多的有效三相界面 将影响催化剂的利用率和电极的传质 过程。
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7.3 锌空气电池
锌空气电池（zinc air battery）用活性炭吸附空气 中的氧或纯氧作为正极活性物质，以锌为负极，以氯 化铵或苛性碱溶液为电解质的一种原电池。又称锌氧 电池。 锌空气电池具有容量大、比能量高、成本低、放 电性能稳定等优点，是一种具有巨大市场前景的化学 电源。然而，由于锌空气电池的放电电流密度偏低及 其催化材料贵金属的价格昂贵等原因，从而限制了它 的市场和应用范围。
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7.1 金属空气电池概述
金属空气电池发挥了燃料电池的 众多优点，将锌、铝等金属像氢气一 样提供到电池中的反应位置，与氧气 一起构成一个连续的电能产生装置， 具有无毒、无污染、放电电压平稳、 高比能量、内阻小、储存寿命长、价 格相对较低、工艺技术要求较低、高 比功率等优点，既有丰富的廉价资源， 又能再生利用，而且比氢燃料电池结 构简单，是很有发展和应用前景的新 能源。
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7.2 空气电极
空气电池的正极活性物质是空气中的氧气，电池的 电化学反应是发生在空气电极和电解液形成的固液气三 相界面，所以它的电化学反应速度受到氧气从空气中扩 散进来的速度以及在界面的反应活性所控制。因而要提 高空气电池的放电电流密度，可以从两方面进行考虑： 一是提高空气电极的空气扩散能力，即提高透气性；二 是提高固液气三相界面的电化学反应活性。而提高固液 气三相界面的电化学反应活性，一般是通过选用催化性 能优异的催化材料来实现。
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7.3 锌空气电池
7.3.3 基本特性
（2）放电特性 锌空气电池的开路电压是1.45V，工作电压为0.9～1.30V，自 放电每月0.2%～1.0%，可在-20～40℃的温度范围内使用。实 际比能量是目前已用电池中最高的一种，放电曲线平稳。 （3）电池使用寿命 高倍率电池适合于大电流放电，但使用寿命短，常用作助听 器电源低倍率电池适合于小电流放电，使用寿命长，适合于电 子手表应用。
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7.2 空气电极
7.2.2 外界环境的影响
（1）空气中的CO2的影响 在碱性环境中，二氧化碳会形成碱式碳酸盐而沉积在电 极的微孔结构中，故应使空气中的CO2始终维持在1中合金元素的特性和电解液都有可能影响空气电 极的性能和寿命。此外，活性物质中有害物质、隔膜的稳 定性与抗氧化性等因素对锌空气电池性能均有不同程度的 影响。
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锌空气电池特点
①常温、常压下即可操作，不需外在的压力平衡设计； ②目前锌空气燃料电池单位重量的实际能量已达到了 230W· h/kg，几乎是 铅酸蓄电池的8倍，已超过现有的镍氢电池及锂离子电池，且未来还有很 大的发展空间； ③自放电率低，若置于密闭空间中，放电率几乎为零； ④重量小、体积小、容量大，系统结构简单； ⑤锌空气燃料电池也具有良好的环保性，当其产生电能后，产物主要有 两种，即水汽与氧化锌，这些物质经处理后皆可再使用，属于零污染； ⑥锌空气燃料电池所需的反应物主要有锌和空气，皆属低成本物质，故 锌空气燃料电池的经济性毋庸置疑； ⑦能在宽广的温度范围内正常工作且无腐蚀，工作安全可靠； ⑧锌空气燃料电池的应用层面很广，例如3C产品、电动车辆或区域发电 机。 锌空气电池具有上述高比能量的优点，但是其比功率较小(90W/kg)，不能 存贮再生制动的能量，寿命较短，不能输出大电流及难以充电等缺点。 一般为了弥补其不足，使用锌空气电池的电动汽车还会装有其他电池以 帮助起动和加速。
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7.3 锌空气电池
7.3.2 结构
在单体电池中以锌为正极，氧为负极，采用外 氧式设计，在锌空气电池两侧有两块高功率、长 寿命的空气电极。成品的锌空气电池由一组单体 电池串联而成，车载锌空气动力电池组还包括空 气流通保障系统和电池组热管理系统两个子系统 ，以确保动力电池组能够长期、稳定地运转。空 气流通保障系统，调节进入锌空气电池负极地空 气量，当不使用电池时，可以自动切断空气。热 管理系统保证锌空气电池组能够可靠地工作。